用于生成骨板设计的技术的制作方法
【专利摘要】提供了一种用于以几何方式定义骨板设计的数据集的计算机执行技术。这种技术的方法执行包括：基于骨的形状数据，使骨模型在显示装置上可视化；响应于表示的相对于骨模型的用户互动的用户互动信号，得出表示特定板的设计性质的板设计数据；和，生成来自至少板设计数据和一个或多个通用板参数的以几何方式定义骨板设计的数据集。
【专利说明】用于生成骨板设计的技术
【技术领域】
[0001]本发明公开内容大体涉及骨板形式的外科植入物。具体地，提出了一种实现骨板的计算机执行的设计和制造的技术。这技术可以以方法、装置或计算机程序产品的形式来实现。
【背景技术】
[0002]过去，骨板仅可用在有限的种类中。对于具体的骨类型，提供一个或多个通用的骨板。取决于例如具体骨折的性质，外科医生必须根据具体骨折的需要手动地定制通用骨板。这种定制通常包括使该板符合骨的形状的弯曲操作以及调整板的长度的切割操作。
[0003]今天，不仅为具体的骨的类型提供骨板，也可在多种设计中为个别类型的骨折提供骨板。此外，还根据患者具体数据设计骨板。在这方面，US6，978，188B1公开了一种用于基于表示患者的骨骼的医学图像数据为骨重构板构建轮廓的方法。重构板通常用于覆盖(例如，桥接或弥合)由骨部分的失去导致的骨头裂缝或骨缺。骨头裂缝或骨缺可以填充有从患者的其它骨获取的骨材料，其中，重构板承载被除去的骨部分，而增加的骨材料与其余的骨形成一体。
[0004]US6, 978，188B1中所述的骨板轮廓构建方法包括基于医学图像数据的已除去的骨部分的三维表面重构。三维表面重构被用以创建轮廓以fit适合患者的骨骼的骨板的模板图示。在最后的步骤中，使用快速原型成形工艺制造模板。所得到的具有其定制轮廓的模板可以用于植入或者用于在手术之前预先形成可植入板的轮廓。
[0005]从US2009/0149977A1得知另一种用于设计诸如骨板的植入物的计算机执行技术。该技术包括使患者具体数据可视化，以允许外科医生操作患者骨骼、植入物或两者的虚拟模型，直到在虚拟模型内理想地定位植入物。为了设计、修改或操作植入物的虚拟图像，进行与骨骼的虚拟模型的互动。具体地，在第一步骤中改变骨骼的虚拟模型。在第二步骤中，从虚拟板列表中选择标准骨板并且将标准骨板放置在改变后的虚拟模型上的想要的位置。然后，所选择的标准骨板会自动调整以适应改变后的虚拟模型的骨位移量和表面轮廓。
[0006]已经发现，US6，978，188B1和US2009/0149977A1提倡的板设计方法在多数情况下仍然需要外科医生在手术室中的大量定制操作。还已经发现，这一缺点可以至少部分归因于骨板的设计在很大程度上是基于预定义的标准骨板的事实。
【发明内容】
[0007]本发明公开内容的一个目的是提供一种用于设计骨板的技术，其克服了现有技术的设计方法的缺陷。
[0008]根据一个方面，提供一种生成以几何方式定义骨板设计的数据集的计算机执行方法，其中所述方法包括:基于骨的形状数据，使骨模型在显示装置上可视化；响应于表示用户与骨模型的互动的用户互动信号，得出表示特定板的设计性质的板设计数据；和，通过至少板设计数据和一个或多个通用板参数生成以几何方式定义骨板设计的数据集。[0009]在一个实例中，骨板设计可以涉及根据患者的具体需要(在此情况下形状数据可以是特定患者的形状数据)和/或根据诸如具体骨折类型的治疗的通用需要(在此情况下形状数据可以是通用的形状数据)建立新的骨板类型后对骨板的定义。换言之，本技术可以包括、但不限于特定患者骨板的定义。
[0010]得出该板设计数据的步骤可以包括确定指针和骨模型之间的关系。举例而言，可以确定指针相对于骨模型的位置或投影。可以相对于骨模型以图形形式在显示装置上表示该指针。
[0011]可以提供用户可操作的输入设备(如鼠标、键盘、轨迹球、触摸屏等)以允许生成用户交互信号。用户可操作输入装置还可以允许在显示装置上相对于骨模型定位指针。可以利用被用以定位指针的相同的输入装置或者利用另一输入装置生成用户交互信号。
[0012]在一个实施方式中，当(例如，通过点击鼠标按钮或敲击键盘键)生成用户互动信号时，在此点处及时确定指针和骨模型之间的关系。用户交互信号在这样的情况下可以表示用户已经(在显示装置上和/或骨模型的坐标系中)以相对于骨模型的选定关系下移动指针。
[0013]得出板设计数据的步骤可以包括确定相对于骨模型的一个或多个点。举例而言，可以从指针与骨模型之间的特定关系来确定单个的点。因此，该特定的点可对应指针相对于骨模型的位置或投影。对于每个单个的点，可能会产生单独的用户交互信号。
[0014]该一个或多个点可被包括在板设计数据内。此外，可以在与骨模型和形状数据中的至少一个相关的坐标系中确定该一个或多个点。在一个实例中，板设计数据也被设置在该坐标系中或由其衍生的坐标系中。
[0015]该一个或多个点可得出为位于骨表面上(例如，通过骨模型或形状数据定义的)。在这方面，骨模型可以以表面模型的形式实现，或者可以至少包括相应的表面数据。
[0016]在一个实例中，(例如，响应于用户交互信号)可以通过把指针的位置投影到骨表面上得到特定点在骨表面上的定位。
[0017]在显示装置上使所述一个或多个点相对于骨模型可视化。此外，在显示装置上使所述一个或多个点的操纵可视化。该操纵可以包括点的删除、插入和移动中的至少一个。可以根据所述操纵调整板设计数据。
[0018]在一个实施方式中，所述一个或多个点表示骨板设计的一个或多个固定开口或其它特征(如板部分段的位置或取向)的中心位置。在这种实施方式中，所述一个或多个点可以以所述一个或多个相关固定开口或其它特性特征的图示的形式被可视化。举例而言，特定的点可以以十字交叉、环形或圆形的形式被可视化，其中十字交叉、环形或圆形的中心表不该点。
[0019]基于两个或更多个点的序列可以确定曲线。该曲线可以是多边形曲线、样条曲线或简单的(例如，直的)线条。在一个实现方式中，曲线可以经由用户交互来操纵(例如，在一维、两维或三维比例中)。
[0020]该曲线可表示的骨板的或骨板的一个或多个部分段的(例如整体)延伸部。此外，板设计数据可包括表示骨板设计的或者所述一个或多个板部分段的延伸部的曲线数据。
[0021]该方法还可以包括使曲线在显示装置上可视化。此外，可以响应于该曲线或一个或多个点的操纵调整被显示图像的曲线。相应的板设计数据可以被相应地调整。[0022]基于形状数据，可以得出或生成板设计数据和以几何方式定义骨板设计的数据集中的至少一个。可以以比例缩放的形式(即，以比例相关联)提供形状数据。在这样的实施方式中，板设计数据可被得出为继承形状数据的缩放比例。形状数据可以使用公制或非公制单位进行比例缩放。
[0023]连同得出板设计数据和/或生成定义骨板设计的数据集，可以分析形状数据以定义骨板设计的面外弯曲和扭转中的至少一个。可在由板设计数据定义的位置处执行对形状数据的分析。
[0024]所述一个或多个通用板参数和/或所述板设计数据可以定义以下板性质中的至少一个:骨板的若干固定开口、骨板的固定开口的几何性质(例如尺寸)、骨板的若干部分段、骨板的部分段的几何性质、骨板的局部厚度和总厚度中的至少一个、骨板的局部宽度和总宽度中的至少一个、和骨板的局部长度和总长度中的至少一个。该方法还可以包括提供被配置为允许编辑所述一个或多个板的几何参数的基于软件的参数编辑功能。
[0025]该方法还可以包括基于板设计数据使板模型可视化。该板模型可以包括对骨板的全面表示或者其示意性表示(例如，以示意地表示骨板的延伸部的线性或非线性曲线的形式)。
[0026]骨板可包括两个固定开口(或多对两个固定开口)和使所述两个固定开口互连的板部分段(例如，条)(或使每对的所述两个固定开口互连的多个部分段)。该方法可以允许定义部分段相对于骨模型和/或板模型的几何性质。部分段的几何性质的定义可以包括该部分段的长度、宽度、厚度、粗糙度和曲率中的至少一个的定义。
[0027]可以在显示装置上显示表示所述部分段的所述两个固定开口之间的互连线。此夕卜，该方法可允许操纵用于定义部分段的几何性质的互连线。所得到的互连线可以是上面讨论的曲线的一部分或这种曲线。
[0028]在一个实施方式中，骨包括缺失的或待除去的至少一个骨部分，并且所述骨板适于至少部分地在先前由该缺失的或待除去的骨部分填充的骨缺之上延伸。因此可以以骨重构板的形式实现骨板。骨重构板可以被配置为桥接或弥合骨缺。可以提供基于软件的切除工具，其被配置成响应于表示用户与骨模型交互的用户交互信号定义切除数据。切除数据可以定义表示要被除去的骨部分的一个、两个或更多的切除平面。
[0029]此外，可以生成缺失的或将要被除去的骨部分的重构数据。重构数据的生成可以包括虚拟重构，例如通过徒手绘画、通过骨移植、通过镜像、通过统计形状模型或通过它们的任意组合虚拟重构。可通过所得的重构数据进一步生成定义骨板设计的数据集。举例而言，可以通过重构数据确定骨缺的区域中的骨板轮廓。
[0030]可以生成定义骨板设计的数据集，使得在骨缺之上延伸的第一板部分相对于邻近骨缺的第二板部分被偏移到骨缺中。因此，第一板部分可延伸到先前由该缺失的或将要被除去的骨部分填充的空间中。
[0031]生成定义骨板设计的数据集的步骤可以包括形状数据和(可选地)重构数据的处理。形状数据和(可选地)重构数据的处理可以被实施以定义定制骨板的以下几何性质中的至少一个:(例如，在面向骨的一侧的)骨板轮廓、(诸如两个固定开口的)两个板特征之间的距离、一个或多个板内弯曲、板扭转、一个或多个板外弯曲、(例如板部分段的)一个或多个局部宽度、总宽度、(例如一个板部分段的)一个或多个局部长度和总长度。[0032]形状数据可以已经通过医学成像获得(例如，使用计算机断层摄影，CT，或以任何方式)，并且可能以数据文件的形式提供。形状数据可能是特定病人的(这样骨板设计也会是特定患者的)或通用的。通用的形状数据可以是(例如)通过处理(例如，平均)一组特定患者的形状数据而获得的。通用形状数据可能是特定性别或特定年龄的。在一个实例中，形状数据是STL或医学上的数字成像和通信(DICOM)的数据。
[0033]根据另一方面，提供一种处理用于骨板的几何数据的计算机执行方法，其中所述方法包括:接收以几何方式定义非平面骨板设计的数据集；和，处理所述数据集以生成以二维方式定义非平面骨板的展开状态的处理后的几何数据。
[0034]在数学意义上，展开状态可以被认为是二维的非平面骨板的推导。但应注意的是，连同生成定义非平面骨板的展开数据的处理后的几何数据处理的的数据集可以定义通用或特定患者的骨板设计。
[0035]该方法可以进一步包括基于处理后的几何数据制造骨板的平面版本。在这方面可以使用多种制造技术，包括计算机辅助制造(CAM)和/或快速成型(RP)。也可以由金属(例如钛)材料或任何聚合物(如PMMA，PEEK和Medpor (R))等制造骨板。
[0036]该方法还可以包括基于以几何方式定义骨板设计的数据集，弯曲骨板的平面版本以获取面外弯曲和扭转中的至少一个。该弯曲步骤可以使用合适的机器人工具以计算机控制的方式来执行。骨板的平面版本可包括至少一个面内弯曲。
[0037]如上所述，骨板也可以是骨重构板。附加地，或作为一种替代方案中，骨板可配置成被固定到颅骨、面骨和下颌骨中的至少一个或手足的骨。骨板也可以是下颌骨重构板。
[0038]此外，本文公开的任何方法可以以工作流驱动方式被执行。因此，可以通过基于软件实现的工作流的方法步骤中的一个或多个引导用户。
[0039]还提供了一种计算机产品，包括用于在计算装置或互连的计算装置组上执行所述计算机程序产品时执行本文中所呈现的任一方法和方法步骤中所述的步骤的程序代码部分。计算机程序产品可以被存储在一个或多个计算机可读记录介质上。
[0040]本发明还提供了一种用于骨板设计的装置，所述装置包括:显示装置，适于基于骨的形状数据使骨模型可视化；和至少一个处理器，适于响应于表示用户与骨模型互动的用户互动信号得出表示特定板的设计性质的板设计数据；和，其中，所述至少一个处理器还适于通过至少板设计数据和一个或多个通用板参数生成以几何方式定义骨板设计的数据集。[0041 ] 还提供了 一种处理用于骨板的几何数据的装置，所述装置包括:接口，适于接收以几何方式定义非平面骨板设计的数据集；和至少一个处理器，适于处理所述数据集以生成以二维方式定义非平面骨板的展开状态的处理后的几何数据。
[0042]还提供了一种制造系统，包括用于处理几何数据的装置和适于基于所述数据集制造骨板的平面版本的装置。
[0043]根据本发明公开内容的还一个方面，提供了一种包括以几何方式定义骨板设计的数据集的数据集或数据信号，其中已经如本文中所讨论的那样生成所述数据集。
[0044]更进一步地，提供包括骨板设计的处理后的几何数据的数据集或数据信号，其中已经如本文中所讨论的那样生成所述数据集。
[0045]作为进一步的方面，提供了一种用于固定至至少一个第一骨部分的骨板，其中，在板固定之前，与所述至少一个第一骨部分相邻的第二骨部分缺失或者将被除去，所述骨板包括:至少一个第一板部分，被配置成固定至所述至少一个第一骨部分，其中所述至少一个第一板部分包括一个或多个固定开口 ；和，第二板部分，被配置成在先前由所述第二骨部分填充的骨缺之上延伸，其中所述第二板部分相对于第一板部分的与骨缺相邻的部分段被补偿到骨缺中。
[0046]在一个实施方式中，骨板包括布置在所述第二板部分的相对侧上的两个第一板部。在这样的实施方式中，所述骨板可被配置成桥接或弥合所述骨缺。
【专利附图】
【附图说明】
[0047]通过以下示例性实施例的描述结合附图，本发明公开内容的其它方面、细节和优点将变得显而易见，其中:
[0048]图1示意性地示出用于设计和制造骨板的系统的实施例；
[0049]图2是示出用于设计骨板的方法的第一实施例的流程图；
[0050]图3是示出用于生成通过几何的方式定义骨板设计的数据集的示例性数据流程的不意图；
[0051]图4是示出用于设计骨板的方法的第二实施例的流程图；
[0052]图5是示出基于软件的切除工具的实施例的操作的示意图；
[0053]图6是示出使用骨移植生成重构数据的实施例的操作的示意图；
[0054]图7至11是示出定义由固定开口的位置表示的特定板设计的性质的实施例的操作的示意图；
[0055]图12是示出骨板的模型的示意图；
[0056]图13是示出定义由互连两个固定开口的每一个的板条表示的特定板设计的性质的又一实施例的操作的示意图；
[0057]图14是示出定义由限定骨板延伸部的点序列表示的特定板设计的性质的又一实施例的操作的示意图；
[0058]图15是示出用于处理几何数据的方法的实施例的流程图；
[0059]图16是图示出从非平面骨板过渡到该骨板的展开状态的示意图；
[0060]图17是示出利用手绘图或统计形状模型生成重构数据的实施例的操作的示意图；
[0061]图18是示出利用镜像技术生成重构数据的实施例的操作的示意图；
[0062]图19是示出其中骨部分被偏移的骨的模型的示意图；和
[0063]图20示意性地示出图13相对于骨板的偏移。
【具体实施方式】
[0064]在以下示例性实施例的描述中，为了解释的目的而不是限制，阐述了具体细节，诸如具体方法、功能和过程，从而提供对本文中所呈现的技术的透彻的理解。对于本领域技术人员来说明显的是，在不偏离这些具体细节的其它实施例中可以实践本技术。例如，虽然这里呈现的技术在下面主要是结合下颌骨重构板讨论的，但是显而易见的是，该技术同样可以被应用于用于在人体或动物体的其他区域中植入的骨板。
[0065]此外，本领域技术人员将会理解的是，利用结合编码微处理器、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)或通用计算机的软件功能可以实施本文中所说明的方法、功能和步骤。还要理解的是，尽管会在方法和装置的上下文中主要描述以下实施例，但是本发明公开内容也可以具体化为计算机程序产品，该计算机程序产品可以被加载以在包括一个或多个处理器和作为存储器的一个或多个存储功能的计算机或分布式计算机系统上运行，其中用可以执行本文所公开的方法、功能和步骤的一个或多个程序编码所述一个或多个存储器。
[0066]图1示出了用于骨板设计和骨板制造的系统100的实施例。如图1所示，系统100包括计算装置110 (例如个人计算机)、显示装置120 (例如计算机监视器)，存储器130 (如其中提供数据库的硬盘或半导体存储器)和制造装置140 (如快速原型装置或任何可编程机械加工装置)。系统100还包括用于生成或触发用户交互信号的生成的至少一个用户可操作的输入设备150 (诸如键盘、鼠标或轨迹球)。在一个实施方式中，显示装置120和输入装置150可以被集成到触摸屏中。
[0067]计算装置110包括接口 112、至少一个处理器114(例如中央处理单元，CPU)和存储器116 (例如硬盘或半导体存储器)。接口 112被配置为输入/导入接口，用于建立一方面计算装置110和另一方面显示装置120、存储器130、制造装置140、输入装置150和计算机网络160(如局域网、LAN、和/或互联网)之间的通信。接口 112可以以一个或多个硬件部件、一个或多个软件部件、或者一个或多个硬件部件和一个或多个软件部件的组合的形式实现。
[0068]下面，将结合余下的附图更加详细地讨论图1中所示的系统100的操作的示例性模式。应当指出的是，本文所讨论的操作程序也可以在具有与图1中的系统100的配置不同的配置的系统中实现。
[0069]图2示出了一种生成以几何的方式定义骨板设计的数据集的计算机执行的方法的实施例的流程图200。将参考图1中所示的示例性硬件部件更加详细地讨论图2中所示的数据集的生成。
[0070]在图2没有图示的可选步骤中，计算装置110获得将固定骨板的骨的形状数据。从内部存储器116、外部存储器130和计算机网络160中的任何一个接收形状数据。在一个实施方式中，形状数据是符合DICOM标准的具体患者的CT数据。但应理解，在其他实施方式中，可以生成的形状数据能够符合其他标准或可以是通用的形状数据。
[0071]在获取形状数据之后，在步骤202中，处理器114处理形状数据。在这方面，由处理器114执行的处理操作在显示装置120上使骨的(虚拟)三维模型可视化。应当理解的是，形状数据的处理可能涉及到进一步的处理操作，例如在其可视化之前(按照例如STL的标准)将CT数据转换成表面数据。
[0072]在下一个步骤204中，执行基于软件的板设计功能。板的定制功能可以被存储为在内部存储器116或外部存储器130中的程序代码。当由处理器114执行时，板设计功能响应于表示用户与骨模型互动的用户交互信号得出表示特定板的设计性质的板设计数据。
[0073]用户交互可以经由输入装置150进行。作为示例，用户交互可以涉及，在显示装置120上相对于骨的模型移动(虚拟)指针至所需部分并按下键盘的键、鼠标键或轨迹球按钮。然后，在按下键或按钮的时候(例如，在骨模型和/或形状数据的坐标系统中)可基于指针相对于骨的模型的位置得出板的设计数据。作为示例，因此所得出的板设计数据可以表示将要设计的骨板的特征性的特征的位置，诸如一个或多个固定开口、一个或多个板部分或段等。所得到的板设计数据可被存储在内部存储器116、外部存储器130或两个存储器116,130中。附加地，或作为替代方案中，可以经由计算机网络160发送板设计数据至远程计算装置(在图1中未示出)。
[0074]在进一步的步骤206中，处理器114从至少所述板设计数据和一个或多个通用板参数生成在几何上定义骨板设计的数据集。通用的板参数可以表示的骨板的通用尺寸和/或通用设计性质或特性。处理器可以进一步处理数据，从而生成板设计数据，诸如形状数据、重构数据和切除数据的一个或多个，如将在下面更详细地讨论的。所得到的板的设计数据在一个示例中可以表示定制的骨板的几何尺寸和几何特征。作为示例，几何数据可以采取计算机辅助或第二设计(CAD)数据、CAM数据、或任何其它数据的形式。
[0075]图3以图280不出根据一个实施例的基本输入和导入数据。如图3所不,在一个示例中，从用户交互信号和形状数据得出板的设计数据，其中可以用骨模型表示形状数据(例如，如表面数据)。作为示例，通过在显示装置上将指针的虚拟位置投影到由骨模型定义的骨表面上，可以得出板设计数据。如果以(例如，以公制单位)比例缩放形式提供形状数据，板的设计数据可以继承形状数据的比例缩放。在一个示例中，通过在形状数据和/或骨模型的(成比例的)坐标系统中进行投影可以继承比例缩放。
[0076]一旦已经得出板设计数据，生成以几何方式定义骨板设计的数据集。如图3所示，从至少板设计数据和通用板参数生成骨板数据。附加地，形状数据(例如，以表面数据的形式)可以被考虑在内，以便定义骨板轮廓。更进一步地，重构数据和/或切除数据可以被考虑在内。
[0077]已经参照图2的流程图200和图3的输入/输出图280描述了系统100的基本操作，现在将结合图4的流程图300更加详细地系统100的操作。可以认为图4的流程图300呈现了已经在图2和图3的情形中讨论的关于基础操作的进一步细节。然而，应当注意，流程图300的操作步骤在原则上也可以使用与图1所示的系统100不同的并且独立于上面参考图2和图3所讨论的具体细节的系统来实现。
[0078]在设计和制造下颌骨重构板的情形下描述在图4中所示的技术。但应注意的是，在其它实施例中，可设计和制造与这种下颌骨重构板不同的骨板。作为示例，可以提到用于覆盖颅骨开口的骨板。在存在于内部存储器116或外部存储装置130的程序代码控制下驱动图4的骨板定制技术以执行工作流程。
[0079]参照图4的流程图300，在第一步骤中，处理器114从外部存储器130或从计算机网络160的远程站点经由接口 112导入医学图像数据，例如如将要被重构的下颌骨的DICOM文件。在一个替代实施例中，DICOM文件可以被从内部存储器116读取。DICOM文件已由3D扫描仪(使用，例如，CT)制备和包括将要被重构的下颌骨的扫描件。
[0080]在流程图300的第二步骤，包括在被导入的DICOM文件中的(包括固有形状数据的)数据由处理器114处理，以生成骨表面数据形式(例如，STL数据)的形状数据。所得到的骨表面数据表示骨模型。从而基于骨表面数据，处理器114在显示装置120上显示骨410的(虚拟)模型400，如在图5的上半部分中所示的。图4的流程图300的第二步骤因而可以被认为对应于图2的流程图200的步骤202。如在图5的上半部分中所示的，骨410包括退化的骨部分420，该退化的骨部分420将要被除去的并将要通过下颌骨重构板进行弥合或桥接。
[0081]处理器114上运行的程序代码包括基于软件的切除功能，其被配置为响应于表示与骨410的模型400的用户交互的用户交互信号，定义切除数据。对于切除数据的定义，可以在输入装置150的控制下相对于模型400移动(虚拟)指针430。通过反复确认指针430相对于骨410的模型400的期望的位置(例如，通过按下键或按钮)，由用户在模型400的坐标系中输入以两个切除平面440、450的形式的切除数据(参照图4的流程图300的第三步骤)。两个切除平面440、450定义将要被除去的骨部分420。如在图5的上半部分中所示的，两个切除平面440、450相对于骨410的模型400被可视化。
[0082]在图4的流程图300的第四步骤中，被切除的骨部分420被隐藏，所如在图5的下半部分中所示的。可选地，被切除的骨部分420可以被透明地可视化，或以其他方式标记(例如，使用特定的颜色)。因此在图5的下半部分中示出的骨410的模型400显示了之前由将要被除去的骨部分420所填充的骨缺460。
[0083]图4中所示的工作流程的其它过程取决于用于重构下颌骨所选择的手术技术。在这方面，可以区分为主要和辅助或第二构建方法。根据主要重构方法，例如，用来自腓骨或肋骨获取的骨材料替换除去的骨部分420。根据辅助或第二重构方法，用下颌骨重构板简单地弥合或桥接被除去的骨部分420。然后会在单独的(稍后的)外科手术过程中替换被除去的骨部分420。
[0084]在下面的图4示出的工作流程中，将首先说明基于取自腓骨的骨材料的主要重构方法。参考图6，在图4的流程图的第五步骤中，响应于表示与骨410的模型400的用户互动的用户互动信号定义用于基于腓骨的重构的导向曲线600。具体地，通过在输入装置150的控制下移动指针430至模型400的选定的(虚拟)位置并且接着按下键或按钮以确认导向曲线600的起始点、中间点和终止点来定义导向曲线600。为此，指针430的位置可以被投影到模型400的(隐藏的)骨表面上，其中，所得到的投影构成骨模型400的坐标系中的那些点。
[0085]在图3的流程图300的第六步骤，也在图6的上半部分示出，未切割的腓骨620的(虚拟)模型610被显示在显示装置120上。用与骨410的虚拟模型400类似的方式由形状数据生成未切割的腓骨620的模型610。可以经由用户交互(使用指针430和相关联的输入装置150的)相对于骨410的模型400移动和/或转动腓骨620的模型610。用户还被给予机会以虚拟地切割腓骨620，其中所得到的腓骨部分630，640被自动沿导向曲线600对齐，并表示的除去的骨部分620被可视化，正如图6的下半部分所示的(按照图4中流程图的第七步骤)。
[0086]在图4的流程图300的第八步骤，通过用于定义如图7所示的骨板设计的处理器14调用基于软件的板设计功能。
[0087]如本领域已知的，下颌骨重构板包括多个固定开口。骨固定构件(如骨螺钉、骨销钉或克氏线)被插入到用于将骨板固定到骨的固定开口中。在图7所示的本实施例中，板设计功能被配置为允许定义多个固定开口 710相对于骨410的模型400的位置。为此，在第一步骤中指针430被移动到固定开口 710相对于骨410的模型400的想要的(虚拟)位置。一旦已经达到所需位置，按下输入装置150的键或按钮。在指针430被定位在固定开口 710的想要的位置的情况下按下键或按钮是输入操作。具体地，按下键或按钮后生成用户交互信号。
[0088]响应于用户交互信号，确定指针430相对于骨模型400的局部位置。基于指针430相对于骨模型400的位置，确定骨模型的坐标系中的点。该点可以通过将指针430的位置投影到由所述骨模型400定义的骨表面上来确定。这样确定的点表示固定开口 710的中心，并通过在显示装置120上在选定位置的骨模型400上叠合或重叠包括固定开口 710的板环720的(虚拟)模型进行确认。板环720的中心表示所选定位置。从上述定义中得到的相应的板设计数据可以以坐标(例如，骨410的模型400的坐标系中)的形式被存储在本地存储器116中。
[0089]如图8-10所示，上面参考图7所描述的输入操作可以被重复多次，以定义相对于所述骨模型410的多个点。再者，各点的位置定义固定开口 710的中心，并在显示装置120上通过相关联的环板720可视化。
[0090]参考图8，只要已经相对于骨模型400定义出两点(即，两个固定开口 710的位置)，就可使样条曲线形式的曲线800可视化。当定义附加的固定开口 710 (参见图9和图10)，曲线800被重新计算并扩展。曲线800 (及其作为基础的点序列)描述了骨板设计的通用延伸部，并且可以以板设计数据的形式(例如，作为坐标)被存储在本地存储器416中。
[0091]板设计功能可被配置为允许操纵一个或多个固定开口 710。如图11中的箭头810所示，可以在输入装置150的控制下通过指针430操纵固定开口 710。所述操纵步骤可以包括固定开口 710(和由板设计数据组成的作为基础的点)的删除、插入或移动。可根据该操纵调整板设计数据。举例而言，如果一个可视化的固定开口 710被除去，则在板设计数据中对应的点也被除去。在一个可选的实施方式中，也可以使用指针430操纵曲线800的延伸或延伸部。
[0092]两个相邻的固定开口 710之间的曲线800的部分段表示将这两个关联的板环720互连的板条。通过操纵板环720中的一个的位置，也操纵在相应的固定开口 710处的开始或结束的互连的线(以及因此相应的板条)。
[0093]一旦所有固定开口 710的位置已被定义(并且，如果必要，被操纵)，那么按照图2中的流程图200的步骤204，可以使用定义特定设计性质(S卩，固定开口 710的相对位置和可选地，定义骨板延伸或延伸部的曲线800)的板设计数据组或数据集。基于这些板设计数据，骨板1000的(虚拟)模型可以被可视化地叠合在骨410的模型400上，如图12所示。图12中的骨板模型的可视化对应于图4中的流程图300的第十步骤。
[0094]从通用板参数和板设计数据的组合生成图12中的骨板模型。通用板参数描述了骨板1000的通用性质，如固定开口 710的直径、围绕固定开口 710的板环720的宽度和厚度、连接两个相邻的固定开口 710A、710B的板条1010的宽度和厚度。
[0095]在图4的流程图300的可选的第十一步骤中，板设计功能允许定义或操纵板条1010的一个或多个设计性质。在图13中所示的实例中，可以在输入装置150的控制下通过指针430(例如，逐步地)增加或减少单个的板条1010的宽度。以此方式，在专用区域可以根据需要加强骨板1000。
[0096]一旦完成板设计数据经由板设计功能的输入，图4中所示的工作流程前进至流程图300的步骤12。在步骤12，(按照图2的流程图200的步骤206)，由定义骨板设计的处理器114生成数据集或数据组。处理器114由用户输入的板设计数据生成数据集或组，包含在STL文件中的形状数据、得出的骨缺460的重构数据和通用板参数(也参见图3)。固定开口 710和板环720的几何尺寸(例如，其直径或形状)和板条1010可直接来源于通用板参数。此外，符合(被重构的)骨的骨板1000(例如，相对于面内弯曲、扭转和/或面外弯曲)的轮廓可以从形状数据得出，并且在骨缺460的区域中，从重构数据中得出。
[0097]所得到的在几何上定义骨板设计的几何尺寸的数据集可以被存储在专用数据库或数据文件中。数据集也可以作为数据信号通过计算机网络160发送。
[0098]举例而言，具有骨板设计的最终的几何数据的数据集可以被直接发送到制造装置140，使得能够容易地制造实际的骨板1000。骨板1000可以由金属(例如钛)制成。金属材料特别适合用于通常不得不承受高负载的重构板。要理解的是，例如用于覆盖颅骨开口的其他的骨板实施例可以由一种或多种聚合物(例如PMMA和PEEK)制成。
[0099]在图4的流程图300的又一个可选步骤中，可以基于图4的流程图300的第二步骤中的切除数据输入制造一个或多个切割引导器(或夹具)。切除引导器可以被配置成引导与除去骨部分420相关的切除工具(如骨锯)(参见图5)。
[0100]图14示出一种用于定义下颌骨重构板的过程和相关联的固定开口 710的位置的替代方法。在参照图7至11所讨论的实施例中，在第一步骤中虚拟化地布置固定开口 710，并且在第二步骤中基于固定开口 710的位置生成曲线800。在如图14所示的实施例中，在第一步骤中通过输入相对于骨头410的模型400的一系列点900定义曲线800。一旦已经输入定义骨板的延伸部的一系列这种点900，所得到的点的序列由曲线800 (例如，样条曲线)连接在一起，如图9所示。在已定义骨板的延伸部后，然后可在该曲线800上替换单个的固定开口 710 (得到如图11中所示的显示装置120的类似屏幕)。
[0101]下面将讨论本文所公开的技术中的以下几个附加的或可选择的方面。虽然那些方面将具体参考前述实施例来讨论，但应理解，那些方面也可以从中被独立地执行。
[0102]相对于图4的流程图300的步骤12，现在将参照图15的流程图1500和图16的示意图更加详细地描述定制骨板1000的制造以及在制造之前的示例性处理操作。
[0103]图15中的流程图1500示出在发送处理后的几何数据至制造装置140之前，用计算装置Iio的处理器114处理用于骨板的几何数据的计算机执行方法(参见图1)。
[0104]在第一步骤1502中，处理器114获得在几何形状上或通过几何的方式定义骨板设计的数据集。举例而言，该几何数据可以通过接口 114从(它们可以已经在图4的流程图300的步骤12中被存储的)内部存储器116中取得。数据集定义了三维的非平面骨板1000的设计，如在图16上半部分以侧视图(左)和俯视图(右)示出的示例。如上面所提到的，数据集规定骨板1000的几何尺寸。
[0105]在随后的步骤1504中，处理器114处理数据集以生成处理后的几何数据。处理后的几何数据定义二维的非平面骨板1000的展开状态，正如图16的下半部分中所示的。
[0106]在步骤1504中对数据集的处理涉及将数学算法应用至骨板1000的三维几何数据。数学算法将三维几何数据变换成描述二维的非平面骨板1000的数学推导(development)(即，展开状态)的处理后的几何数据。这意味着，处理后的几何数据仅描述骨板1000的平面内的弯曲，如图16的下半部分中的左手侧所示的。在进一步的弯曲步骤中获得实际的骨板1000的面外弯曲(正如图15的上半部分中所示的)。该进一步的弯曲步骤可以通过(例如，以在几何上定义骨板1000的三维设计的数据集的基础上的)程序受控的机器人工具或手动来执行。
[0107]在步骤1504中生成的处理后的几何数据可以采取具有尺寸或维度信息的CAD数据集的形式。可替代地，处理后的几何数据可以采取由制造装置140能够直接处理的CAM数据集的形式。制造装置140因而制造骨板1000的平面化的展开版本(参照图16的下半部分)，用于在后面的加工步骤中被弯曲(或折叠)成想要的三维形式。由于在制造过程之后不需要面内弯曲操作，因此在骨板1000的关键点处没有产生或产生较少的内部应力。
[0108]应当注意的是，在制造装置140能够制造非平面骨板1000的情况下原则上可以省略步骤1504。在这种情况下，如在步骤1502中所获得的定义非平面骨板1000的形状的数据集可以被直接传递到制造装置140。
[0109]在已经参考图15和16讨论图4中的流程图300的步骤12的细节后，接下来将描述根据图4中的流程图300的步骤14和15的辅助重构方法。
[0110]至于步骤14，在完全缺失的骨的情况下可以通过徒手重构生成重构数据。为此，现在参考图17和18讨论可以提供基于软件的重构功能。重构功能可允许相对于骨410的模型400的经由徒手绘图输入表示缺失的骨部分的重构数据(参见图17)。备选地，或附加地，可以使用统计形状模型重构缺失的骨部分。可以已基于通用形状数据生成统计形状模型。此外，图18中所示的镜像技术也可以用以定义重构数据。
[0111]在下一步骤中，可以基于重构数据生成缺失的骨部分420的虚拟重构1400并且在显示装置120可视化，如图17和18中所示。当然，在图4的流程图300的步骤14的情况下，各种重构方法(如镜像、徒手重构、使用骨移植的重构，等等)可以根据需要组合以得出用于可视化目的的虚拟化重构骨模型400。
[0112]参考图4的流程图300中的步骤15，骨410的虚拟地重构部分1400可被按比例缩小(和/或偏移)，使得定义骨板设计(和骨板1000自身)的几何数据将偏移量定义到骨缺460中，如图15和16中所示。
[0113]得到的骨板1000在中间方向上的偏移在骨板1000和覆盖骨板1000的组织之间提供更多空间。如图19所示，偏移可以被配置成使得在骨缺460之上延伸的板部分1600相对于邻近骨缺460的板部分1610被偏移到骨缺460。偏移通常会等于0.3至5毫米。在一个实施例中，偏移可以大约对应在骨缺460的区域中板1000的厚度(例如，2.0或2.8毫米的)。
[0114]由于基于重构数据(也)生成在几何上限定骨板设计的数据集，人为引入的关于如图20中被可视化的形状数据的重构数据(也)会影响该数据集的生成，从而影响基于该数据集的由制造过程中得出的实际的骨板1000的形式。应当理解的是，在骨缺的区域具有偏移的重构板100也可以利用与上述那些不同的操作定义和制造。由于这个原因，具有目的在于覆盖骨缺的板部分的任何骨板可以设有本文中所述的偏移。
[0115]计算系统100通常由一种骨板制造商的制造人员进行操作。如果需要，外科医生可以协助在显示装置120上的骨板设计操作(例如，经由通过图1的计算机网络160的网络会议)。板设计功能可以在定制过程中违反预定义的板几何形状规则后提供错误信息。作为一个实例，如果固定开口 710靠近切除平面440、450放置或如果还没有定义固定开口710 (例如，每骨部分段)的预定的最小数目，那么可创建错误消息。
[0116]总之，本文所讨论的骨板设计方法提供了可在制造骨板之前执行的附加的设计操作。正因为如此，在手术室的定制操作可以降低到绝对最小值，并且因此可以缩短手术室的时间。此外，固定开口的特定患者位置和其它几何设计特征的特定患者定义确保板的植入造成对患者的最小痛苦，与此同时在需要的地方提供最大的板稳定性。
[0117]在上述原理中，已经示例性地描述了实施本文所公开的技术的实施例和各种模式。本发明不应该被解释为仅限于本文所讨论的具体原理、实施例和方式。相反，要理解的是，本领域技术人员在不偏离在下面的权利要求中所限定的本发明的范围的情况下可以进行各种变化和修改。
【权利要求】
1.一种生成以几何方式定义骨板设计的数据集的计算机执行方法，所述方法包括如下步骤: 基于骨的形状数据，使骨模型(400)在显示装置(120)上可视化； 响应于表示用户与骨模型(400)的互动的用户互动信号，得出表示特定板的设计性质的板设计数据；和， 通过至少板设计数据和一个或多个通用板参数生成以几何方式定义骨板设计的数据集。
2.如权利要求1所述的方法，其中，得出板设计数据的步骤包括:确定指针(430)和骨模型(400)之间的关系。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，得出板设计数据的步骤包括:确定相对于骨模型的一个或多个点(710)，其中板设计数据包括所述一个或多个点(710)。
4.如权利要求3所述的方法，其中，在与骨模型(400)和形状数据中的至少一个相关的坐标系中确定所述一个或多个点(710)。
5.如权利要求3或4所述的方法，其中，所述一个或多个点(710)被得出为位于骨表面 上。
6.如权利要求3至5中的一个所述的方法，还包括在显示装置(120)上使所述一个或多个点(710)相对于骨模型(400)可视化。
7.如权利要求6所述的方法，还包括在显示装置(120)上使所述一个或多个点(710)的操纵(810)可视化，并且还包括根据所述操纵调整板设计数据。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述操纵包括点(710)的删除、插入和移动中的至少一个。
9.如权利要求3至8中的一个所述的方法，其中所述一个或多个点表示骨板设计的一个或多个固定开口(710)的中心位置。
10.如与权利要求6至8中的一个结合的权利要求9所述的方法，其中，使所述一个或多个点可视化的步骤包括使所述一个或多个固定开口的图形表示(710)可视化。
11.如权利要求3至10中的一个所述的方法，还包括:基于两个或更多个点(710)的序列确定曲线(800)。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述曲线(800)表示骨板(1000)的延伸部或骨板设计的一个或多个板部分段(1010)的延伸部。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述板设计数据包括表示的骨板(1000)的或所述一个或多个板部分段(1010)的延伸部的曲线数据。
14.如权利要求11至13中的一个所述的方法，还包括:在显示装置(120)上可视化曲线(800)。
15.如与权利要求7或8结合的权利要求14所述的方法，还包括:响应于所述一个或更多个点(710)的操纵调整可视化的曲线(800)。
16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于形状数据得出或生成板设计数据和以几何方式定义骨板设计的数据集中的至少一个。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述形状数据以按比例缩放方式被提供，并且其中得出所述板设计数据以继承形状数据的缩放比例。
18.如权利要求16或17所述的方法，还包括:分析所述形状数据以定义骨板(1000)的扭转和面外弯曲中的至少一个。
19.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个通用板的参数和/或所述板的设计数据定义如下板性质中的至少一个: -骨板(1000)的若干固定开口(710)的数量； -骨板(1000)的固定开口(710)的几何性质； -骨板(1000)的若干部分段(1010)的数量； -骨板(1000)的部分段(1010)的几何性质； -骨板(1000)的局部厚度和总厚度中的至少一个； -骨板(1000)的局部宽度和总宽度中的至少一个；和 -骨板(1000)的局部长度和总长度中的至少一个。
20.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括: 提供被配置为允许编辑一个或多个几何板参数的基于软件的参数编辑功能。
21.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括:基于板设计数据使板模型可视化。
22.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述骨(410)包括缺失的或待除去的至少一个骨部分(420)，并且其中，所述骨板(1000)适于至少部分地在先前由该缺失的或待除去的骨部分(420)填充的骨缺或骨间隙(460)之上延伸。
23.如权利要求22所述的方法，还包括:生成用于所述缺失的或待除去的骨部分(420)的重构数据，并且其中通过重构数据进一步生成以几何方式定义骨板设计的数据集。
24.如权利要求22或23所述的方法，还包括:生成以几何方式定义骨板设计的数据集，使得在骨缺(460)之上延伸的第一板部分(1600)相对于与骨缺(460)相邻的第二板部分(1610)的部分段被偏移到骨缺或骨间隙(460)中。
25.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，形状数据是特定患者的并且已经由医学成像获得。
26.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，形状数据是STL和DICOM数据中的一种。
27.一种处理用于骨板(1000)的几何数据的计算机执行方法，所述方法包括如下步骤: 接收以几何方式定义非平面骨板(1000)的设计的数据集；和 处理所述数据集以生成以二维方式定义非平面骨板(1000)的展开状态的处理后的几何数据。
28.如权利要求27所述的方法，还包括:基于处理后的几何数据制造骨板(1000)的平面版本。
29.如权利要求28所述的方法，还包括:基于以几何方式定义骨板设计的数据集，弯曲骨板(1000)的平面版本以获取面外弯曲和扭转中的至少一个。
30.如权利要求27至29中的一个所述的方法，其中，所述骨板(1000)的平面版本包括至少一个平面内弯曲。
31.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述骨板(1000)被配置成被固定到颅骨、面骨和下颌骨中的至少一个或手足的骨。
32.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述骨板(1000)是下颌骨重构板。
33.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法以工作流驱动方式执行。
34.一种计算机程序产品，包括用于在计算装置或互连的计算装置组上执行所述计算机程序产品时执行前述权利要求中任一项的步骤的程序代码部分。
35.如权利要求34所述的计算机程序产品,被存储在一个或多个计算机可读记录介质上。
36.一种用于骨板设计的装置(110)，所述装置(110)包括: 显示装置(120)，适于基于骨的形状数据，使骨模型可视化； 至少一个处理器(114)，适于响应于表示用户与骨模型互动的用户互动信号，得出表示特定板的设计性质的板设计数据；和， 其中，所述至少一个处理器(114)还适于通过至少板设计数据和一个或多个通用板参数生成以几何方式定义骨板设计的数据集。
37.一种处理用于骨板(1000)的几何数据的装置(110)，所述装置包括: 接口(112)，适于接收以几何方式定义非平面骨板(1000)设计的数据集；和 至少一个处理器(11 4)，适于处理所述数据集以生成以二维方式定义非平面骨板(1000)的展开状态的处理后的几何数据。
38.一种制造系统，包括权利要求37所述的装置(110)和适于基于所述数据集制造骨板(1000)的平面版本的装置(140)。
39.一种数据集或数据信号，包括以几何方式定义骨板设计的数据集，其中已经根据权利要求I至26中任一项或者当从属于权利要求1至26中任一个时的权利要求31至33中的任一项所述的方法生成所述数据集。
40.一种数据集或数据信号，包括骨板设计的处理后的几何数据，其中已经根据权利要求27至30中任一项或者当从属于权利要求27至30中任一个时的权利要求31至33中的任一项所述的方法生成所述处理后的几何数据。
41.一种用于固定至至少一个第一骨部分的骨板(1000)，其中，在板固定之前，与所述至少一个第一骨部分相邻的第二骨部分(420)缺失或者将被除去，所述骨板(1000)包括: 至少一个第一板部分(1610)，被配置成固定至所述至少一个第一骨部分，其中所述至少一个第一板部分(1610)包括一个或多个固定开口(710);和 第二板部分(1600)，被配置成在先前由所述第二骨部分(420)填充的骨缺或骨间隙(460)之上延伸，其中所述第二板部分(1600)相对于与骨缺(460)相邻的第一板部分(1610)的部分段被偏移到骨缺或骨间隙(460)中。
42.如权利要求41所述的骨板，包括布置在第二板部分(1600)的相对侧上的两个第一板部分(1610)，其中，所述骨板(1000)被配置成桥接所述骨缺(460)。
【文档编号】G06T19/00GK103999129SQ201180075537
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2011年12月14日 优先权日:2011年12月14日
【发明者】延斯·吕贝尔, 莱茵哈德·克勒 申请人:史赛克雷宾格尔有限公司